- Flüssigkeiten und ihre interessanten Eigenschaften
- Druckberechnung
- Wie berechnet man den Druckgradienten?
- Dichteumrechnungsfaktor
- Verweise
Der Druckgradient besteht aus den Variationen oder Unterschieden des Drucks in einer bestimmten Richtung, die innerhalb oder am Rand eines Fluids auftreten können. Druck ist wiederum die Kraft pro Flächeneinheit, die von einer Flüssigkeit (Flüssigkeit oder Gas) auf die Wände oder die Grenze ausgeübt wird, die sie enthält.
Beispielsweise gibt es in einem mit Wasser gefüllten Becken einen positiven Druckgradienten in vertikaler Richtung nach unten, da der Druck mit der Tiefe zunimmt. Mit jedem Meter (oder Zentimeter, Fuß, Zoll) Tiefe wächst der Druck linear.
Bei der Ölförderung ist der Druckgradient eine sehr wichtige Größe. Quelle: pixabay.com
An allen Punkten auf gleicher Höhe ist der Druck jedoch gleich. Daher ist in einem Schwimmbad der Druckgradient in horizontaler Richtung Null (Null).
In der Ölindustrie ist der Druckgradient sehr wichtig. Wenn der Druck am Boden des Lochs höher ist als an der Oberfläche, tritt das Öl leicht aus. Andernfalls müsste die Druckdifferenz künstlich erzeugt werden, entweder durch Pumpen oder Einspritzen von Dampf.
Flüssigkeiten und ihre interessanten Eigenschaften
Eine Flüssigkeit ist ein beliebiges Material, dessen Molekülstruktur den Fluss ermöglicht. Die Bindungen, die die Moleküle der Flüssigkeit zusammenhalten, sind nicht so stark wie bei Festkörpern. Dies ermöglicht es ihnen, einem geringeren Widerstand gegen Traktion und damit gegen Strömung entgegenzuwirken.
Dieser Umstand wird erkannt, wenn beobachtet wird, dass Feststoffe eine feste Form beibehalten, während Flüssigkeiten, wie bereits erwähnt, mehr oder weniger die des Behälters annehmen, in dem sie enthalten sind.
Gase und Flüssigkeiten gelten als Flüssigkeiten, weil sie sich so verhalten. Ein Gas dehnt sich vollständig aus, um das Volumen des Behälters zu füllen.
Flüssigkeiten hingegen erreichen nicht so viel, da sie ein bestimmtes Volumen haben. Der Unterschied besteht darin, dass Flüssigkeiten als inkompressibel angesehen werden können, Gase jedoch nicht.
Unter Druck komprimiert und passt sich ein Gas leicht an und nimmt das gesamte verfügbare Volumen ein. Wenn der Druck zunimmt, nimmt sein Volumen ab. Im Falle einer Flüssigkeit bleibt ihre Dichte - gegeben durch den Quotienten zwischen ihrer Masse und ihrem Volumen - über einen weiten Druck- und Temperaturbereich konstant.
Diese letzte Einschränkung ist wichtig, da sich in der Realität fast jede Substanz unter bestimmten Bedingungen extremer Temperatur und extremen Drucks wie eine Flüssigkeit verhalten kann.
Im Erdinneren, wo die Bedingungen als extrem angesehen werden können, schmelzen Gesteine, die an der Oberfläche fest sind, zu Magma und können in Form von Lava an die Oberfläche fließen.
Druckberechnung
Um den Druck zu ermitteln, den eine Wassersäule oder eine andere Flüssigkeit auf den Boden des Behälters ausübt, wird angenommen, dass die Flüssigkeit die folgenden Eigenschaften aufweist:
- Seine Dichte ist konstant
- Ist inkompressibel
- Es befindet sich unter statischen Gleichgewichtsbedingungen (Ruhe)
Eine Flüssigkeitssäule übt unter diesen Bedingungen eine Kraft auf den Boden des Behälters aus, der sie enthält. Diese Kraft entspricht seinem Gewicht W:
Die Dichte wird normalerweise in Kilogramm / Kubikmeter (kg / m 3 ) oder Pfund pro Gallone (ppg) gemessen.
Der hydrostatische Druck P ist definiert als der Quotient zwischen der senkrecht auf eine Oberfläche ausgeübten Kraft und ihrer Fläche A:
Druck = Kraft / Fläche
Durch Ersetzen des Volumens der Fluidsäule V = Fläche der Basis x Höhe der Säule = Az ergibt sich folgende Druckgleichung:
Druck ist eine skalare Größe, deren Einheiten im internationalen Messsystem Newton / Meter 2 oder Pascal (Pa) sind. Einheiten des britischen Systems sind vor allem in der Ölindustrie weit verbreitet: Pfund pro Quadratzoll (psi).
Die obige Gleichung zeigt, dass dichtere Flüssigkeiten einen größeren Druck ausüben. Und dass der Druck umso größer ist, je kleiner die Oberfläche ist, auf die er ausgeübt wird.
Durch Ersetzen des Volumens der Flüssigkeitssäule V = Fläche der Basis x Höhe der Säule = Az wird die Druckgleichung vereinfacht:
Die obige Gleichung zeigt, dass dichtere Flüssigkeiten einen größeren Druck ausüben. Und dass der Druck umso größer ist, je kleiner die Oberfläche ist, auf die er ausgeübt wird.
Wie berechnet man den Druckgradienten?
Die Gleichung P = ρgz zeigt an, dass der Druck P der Fluidsäule linear mit der Tiefe z ansteigt. Daher wird eine Änderung des Drucks ΔP auf folgende Weise mit einer Änderung der Tiefe Δz in Beziehung gesetzt:
Dichteumrechnungsfaktor
Einheiten des englischen Systems sind in der Ölindustrie weit verbreitet. In diesem System sind die Einheiten des Druckgradienten psi / ft oder psi / ft. Andere praktische Einheiten sind Bar / Meter. Pfund pro Gallone oder ppg wird häufig für die Dichte verwendet.
Die Dichte- und spezifischen Gewichtswerte einer Flüssigkeit wurden experimentell für verschiedene Temperatur- und Druckbedingungen bestimmt. Sie sind in Wertetabellen verfügbar
Um den numerischen Wert des Druckgradienten zwischen verschiedenen Einheitensystemen zu ermitteln, müssen Umrechnungsfaktoren verwendet werden, die von der Dichte direkt zum Gradienten führen.
Der Umrechnungsfaktor 0,052 wird in der Ölindustrie verwendet, um von einer Dichte in ppg zu einem Druckgradienten in psi / ft zu gelangen. Auf diese Weise wird der Druckgradient wie folgt berechnet:
Verweise
- Serway, R., Jewett, J. (2008). Physik für Wissenschaft und Technik. Band 2. Mexiko. Cengage Learning Editors. 367-372.
- Well Control Schulhandbuch. Kapitel 01 Druckprinzipien.